книги из ГПНТБ / Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах

ЛКЛДЬШШг НАУК СССР

Научно-популярная серия

Я. Е. ГЕГУЗИН

ОЧЕРКИ

О ДИФФУЗИИ

ВКРИСТАЛЛАХ

Издание второе, дополненное

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» Москва 1974

Mv «увличим

ч'йеЛ

f4 - З Л й S '

Вкниге около восьмидесяти глав-очерков, в каж­ дом из которых популярно рассказано о каком-нибудь диффузионном явлении, процессе или механизме. Те­ мы очерков выбраны так, что книга охватывает прак­ тически все те проявления диффузионного перемеще­ ния атомов, которые представляют научный интерес или важны для практики. Каждый из очерков — это

самостоятельный рассказ, связанный с другими очер­ ками только единством темы. Автор книги — доктор физико-математических наук, исследователь, непосред­ ственно изучающий диффузию, поэтому о многом в книге говорится на основании личного опыта.

В новом издании книга дополнена очерками об эффектах и явлениях, обнаруженных и изученных в последнее время. В частности, изложены представле­ ния по так называемой квантовой диффузии в кри­ сталлах.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

Памяти

Якова' ftлъпча ФРЕНКЕЛЯ

человека, смотревшего на мир

глазами ученого и художника

ВВЕДЕНИЕ

Глазами ученого и художника

Для многих молодых читателей имя Я. И. Френкеля сто­

ит в ряду имен «прочих физиков», и поэтому, видимо,

следует пояснить, почему «Очерки о диффузии в кри­

сталлах» посвящены его памяти. Ведь это же не посвя­

щение памяти близкого человека: я, к сожалению, слу­

шал всего несколько лекций Якова Ильича да дважды разговаривал с ним перед войной, когда он приезжал в Харьков и читал в университете лекции о недавно предложенной им капельной модели атомного ядра.

О Якове Ильиче Френкеле говорят: «ученый-роман­ тик». В его научном творчестве удивительно гармонично

сочетались строгая логика ученого с фантазией и образ­

ным мировосприятием художника. Ведь надо очень об­

разно мыслить и очень красочно воспринимать мир, что­

бы в набухшей капле, отрывающейся от водопроводного

крана, усмотреть образ ядра тяжелого атома, которое,

подобно капле, потеряв устойчивость, может разрушить­

ся, самопроизвольно развалиться. На тех запомнившихся

носике.

Пожалуй, одно из высших достижений френкелев-

ской фантазии и логики — это представление о механиз­ ме диффузионного блуждания атомов в кристаллической

3

решетке. Прошло более сорока лет после появления его

статьи «О тепловом движении в твердых и жидких те­ лах», где впервые было рассказано о диффундирующей

вакансии и межузельном атоме — понятиях, которые

с тех пор стали общепризнанными, почти само собой

разумеющимися. В этой статье и в ряде других, а затем

и в книге «Кинетическая теория жидкостей» Яков

Ильич так много и ярко рассказал о различных диффу­

зионных процессах, что все изучающие диффузию не­

изменно обращаются к его идеям и образам. И всякий

раз, когда удается выяснить о диффузии что-то новое, усмотреть в микроскопе такие детали дуффузионного

явления, о которых раньше не знали, возникает мысль, что Яков Ильич это явление предвидел, что в кругу его идей и образов было место и этому явлению, что он мог

об этом явлении написать, а не написал просто потому,

что «не дошли руки». Так думают и говорят многие фи­

зики — и те, кто знал его лично, и те, кто читал его

статьи и книги. Еще в середине 30-х годов Яков Ильич

говорил харьковскому физику Борису Георгиевичу Лаза­

реву о том, что следовало бы закалить проволочку чисто­ го металла от высокой температуры и таким образом «заморозить» в ней избыточные вакансии. Прошло не­

многим более пятнадцати лет, и эффект «закалки вакан­ сий» был обнаружен — Яков Ильич предвидел точно. А в 1944 г. он написал статью о том, что кристалл может диффузионно течь, подобно жидкости, и что соприкасаю­

щиеся кристаллические крупинки могут диффузионно

«сливаться», подобно двум каплям жидкости. Прошли

годы, и появились сотни экспериментов, в которых отра­

эффекта — прямое следствие вакансионного механизма

диффузии, представление о котором в физику ввел Яков

Ильич. Они поэтому и сочли справедливым присвоить

эффекту имя человека, который, видя лучше и дальше других, сделал все для того, чтобы эффект был открыт и правильно понят.

4

Диапазон творчества Френкеля, конечно же, много

шире проблемы диффузии. Яков Ильич в числе тех фи­ зиков XX в., которые творили «во всей физике», по-хо­

зяйски уверенно входя в любой ее раздел. Френкель —

это и «экситоны по Френкелю», и «ядро по Френкелю»,

и многое другое «по Френкелю». И конечно же, еще не­

ных диффузионных явлениях и процессах. И в каждом

из них есть крупинка от френкелевских идей и образов.

Вот почему она и посвящена памяти Якова Ильича

Френкеля.

О чем рассказывается в книге

Бесформенный слиток металла и ограненный осколок

соли — это тела неживой природы. Они не дышат, не

размножаются, им чужды чувства и неизвестны запахи.

И все-таки в них есть нечто от жизни: им свойственно

движение, они изменяются. За кажущимся холодным

покоем кристаллов скрывается активное движение ато­

мов, многообразное и непрекращающееся. Формы этого движения, конечно, гораздо проще тех, которые наблю­ даются в биологических объектах. В основном это раз­ личные механические движения — колебания, вращения, хаотические поступательные перемещения атомов, обра­ зующих кристалл.

В этой книге рассказывается об одном из видов теп­

лового движения атомов в кристаллических телах — о

поступательном движении, о блуждании атомов по кри­ сталлу. Это неупорядоченное движение, интенсивность которого растет с температурой, определяет очень мно­

гое в судьбе и свойствах кристалла. Неупорядоченно оно

происходит до тех пор, пока кристалл свободен от различ­

ного рода неоднородностей. О таких кристаллах физики

говорят: «кристалл находится в равновесном состоя­

нии» или «кристалл находится в состоянии с миниму­

мом свободной энергии». При малейшем признаке нерав-

новесности (наличие царапины, неоднородности в распределении атомов разных сортов) потоки атомов ста­

5

новятся направленными и подчиняются определенной

свободную энергию и перейти в состояние, когда во всем

объеме кристалла движение становится хаотическим.

Иной раз эта разумная направленность движения ато­

мов в кристалле, не подсказанная ему, а избранная «но

собственному разумению», внушает смутное и нелепое ощущение разумности кристалла.

Об этой форме движения атомов в кристаллах и рас­

весность кристалла, и какие события сопутствуют стрем­

лению к равновесию.

Возможность повлиять на направленность диффузии,

на пути, ведущие к равновесию, и на скорость прибли­

жения к нему широко используется в современной тех­ нике. В этом одна из основных причин большого инте­

реса к проблеме диффузии со стороны и ученых, и ин­

женеров.

Я надеюсь, что мне удастся рассказать об очень ин­ тересных и важных для практики явлениях, происходя­ щих в процессе диффузии. Не знаю, хорошо это, плохо

ли, но рассказ, видимо, будет не бесстрастным, посколь­

ку я убежден, что диффузия в кристаллических телах — это и интересно, и важно, и, безусловно, заслуживает

внимания.

И еще одно. Если бы автором этой книги был кто-

либо другой, названия глав, возможно, были бы такими

же, как у меня. Во всяком случае они могли быть похо­

жи на мои, а вот содержание отдельных очерков, навер­

няка, было бы иным. В области диффузии в кристаллах

так много интересного, «хорошего и разного», что физи­

кам, занимающимся этой проблемой, близкими оказыва­

ются совсем разные ее аспекты.

Я рассказал о диффузии в кристаллах в основном на

примерах, с которыми сталкивался в лаборатории, кото­

рые близки моим личным интересам и вкусам, которые

6

о чем, безусловно, стоило бы рассказать, я не рассказал.

Но ведь эта книга не учебник, не справочник, не моно­

графия, а рассказ об одной из сторон жизни кристаллов, «неживой» природы. Рассказ, безусловно, не исчерпы­ вающий — я к этому и не стремился.

О камнях, скатывающихся к подножию горы

Всякий раз, когда я задумываюсь над различными диф­

фузионными процессами и явлениями в реальных кри­

сталлах, мне представляется гора, с вершины которой к

подножию скатываются камни. Камней много. Они раз­ ного размера и катятся, сталкиваясь друг с другом. При

этом некоторые камни догоняют те, что катятся впереди,

сталкиваются, после чего одни движутся к подножию

еще стремительнее, а другие начинают двигаться... вверх. В каскаде множества взаимных столкновений упасть каждого из камней может быть различной и перемен­ чивой. Однако все они в конечном итоге стремятся к

подножию горы.

Этот образ помогает не заблудиться в сложных пе­

реплетениях различных диффузионных процессов и яв­ лений, которые происходят одновременно в реальном

естественном минерале и даже в кристалле, выращен­ ном в лаборатории с соблюдением всех предосторож­ ностей, есть много таких особенностей, которые делают это тело «неравновесным». Признаки неравновесности

могут быть весьма различны. Скажем, в кристалле имеются микроскопические трещины и поры — это не-

равновесность. В одной из частей кристалла, состоящего из атомов сорта А, число примесных атомов сорта В

7

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛЕ

Беспорядок, который порядку необходим

В модели кристалла, построенной из деревянных шари­

шарики; каждый из шариков расположен только в ме­ сте пересечения проволок. Эту структуру математики определили бы так: имеется взаимно-однозначное соот­ ветствие между шариками и узлами, в которых пересе­ каются проволоки. Шарик — модель атома, а упорядо­

ченная паутина пересекающихся проволок определяет

закон, которому подчиняется расположение шариков-

атомов в пространстве. Этот закон может быть и очень простым, и очень сложным, но во всех случаях, подчи­ няясь ему, атомы в кристаллических телах располагают­

ся в строгом порядке.

Упорядоченное расположение атомов в кристалле

есть прямое следствие общего закона природы: устойчи­

вым является такое состояние системы, при которой ее

значений энергии выделена своей величиной, и ей соот­ ветствует упорядоченное расположение атомов. Среди множества различных неупорядоченных состояний оно тем-то и выделено, что соответствует определенному

порядку в расположении атомов. Разумеется, может

быть много различных типов упорядоченного располо­ жения атомов. В кристалле, состоящем из атомов опре­

деленного сорта, характер упорядоченного расположения

(рисунок паутины пересекающихся проволок!) опреде­

ляется свойствами атомов. Для нас сейчас неважно,

в каком именно порядке расположены атомы в кристал­ ле, а важно, что расположены они упорядоченно.

9